基于DDS+PLL的光源调制与功率稳定控制方法

马锦贵，孙晓光，庞喜浪，万双爱

(北京自动化控制设备研究所， 北京 100074)

0 引言

随着量子技术的发展，量子传感器的出现进一步拓宽了传感器领域和范围。量子传感器是基于量子操控技术的研究成果，一般的量子传感器具有体积小、精度高或者发展潜力较大等特性[1-5]。激光器是小型量子传感器的主要器件，根据使用方法分为驱动激光器和检测激光器两种，其输出稳定性影响着量子传感器的性能。激光器调制可以将待测的低频区光学信号调制到高频区，从而隔离低频区1/f等噪声影响，有利于提高量子传感器的灵敏度[6]。受限于量子传感器的体积要求，传统的法拉第调制、光弹调制法[7-8]等硬件系统较为复杂，难以在小体积量子传感器中实现。此外，激光器调制过程引入调制信号时，一方面调制频率受到AD模块采样频率的限制；另一方面，调制信号将引入额外噪声[9-10]，从而影响激光器输出光强。并且随着产生的调制信号频率的增大，调制信号产生过程中引入的噪声会越大，对激光器光强影响更大，严重影响激光器输出光强的稳定性。因此，需要选择合适的参考源，并抑制参考源产生信号的噪声，以实现光源的稳定调制，并减小调制对激光器光强造成的影响。

为实现对小型内部光源的有效调制，并且抑制光源调制引入的噪声，获得具有干净频谱的调制信号，参考目前光源调制方法中使用最广泛的方法，即采用直接数字合成法(Direct Digital Synthesis，DDS)[11-12]生成正弦序列信号作为频率参考源，结合调制电路进行调制的方法，并根据信号合成理论和小体积量子传感器的工作要求，提出了基于DDS结合锁相环(Phase Locked Loop，PLL)的光源调制方法，适用于小型量子传感器。基于现有的小型量子传感器工作装置，实现了光源稳定调制的验证，并且降低了调制对激光器输出光强的影响。

1 系统组成

光源调制功能实现一般如图1所示，在整个设计方案中，交流调制参考信号通过FPGA控制DDS IP核产生，并通过PLL[13]进行调理；FPGA通过数字信号控制集成芯片产生电压输出信号，并根据实际电路进行换算产生电流输出信号，相加之后输出具有偏置的调制电流信号，实现对激光器电流的调制。采用FPGA控制芯片输出电压时，需要结合电路控制和实际工作要求进行实际的换算，并通过线圈完成电流的转换，实现对光源的驱动电流调制。

图1 总设计方案功能框图Fig.1 Block diagram of overall design

2 具体实施方案

2.1 调制信号产生

设fDDS为DDS的输出频率，fc是参考时钟频率，它们与相位累加器长度(N)以及频率控制字(Frequency Control Word，FSW)之间的关系为：fDDS=fc·FSW/2N。而DDS的频率分辨率ΔfDDS=fc/2N。

DDS生成的信号近似为正弦信号，假设采样频率为f0，f0=fDDS，则实际得到的采样信号为

s(t)=s(n)·h(t)

(1)

其中，Tc=1/fc

(2)

对阶梯波S(t)做傅里叶变换，得到

(3)

通过方程式(3)可以看出，理想的DDS输出频谱是包络为Sa函数的离散谱线。由奈奎斯特采样定理可知，在实际采样时，要保证采样信号的完整度，输出频率不能超过0.5fc。在实际应用中，DDS输出频率为采样频率的40%以下。但在实际应用过程中，调制信号不仅受到实际电路的限制，并且频率噪声和幅度噪声也在现有硬件条件下随着频率的增大而不断变大。为了满足实际调制信号的要求，可以采用在DDS输出后加入PLL调理电路，实现提高输出频率并抑制整体噪声的目的。具体的DDS+PLL调制参考信号生成功能框图如图2所示，通过状态字FSW控制DDS芯片产生的参考频率，并经R分频后进入相位检波器。PLL通过锁定VCO(压控振荡器)输出N(一般为定值)倍于输入信号频率的频率信号。在参考频率产生过程中，DDS作为参考源使用。DDS技术具有频率转化速率快、分辨率极高、低相位噪声和低漂移，以及独有的连续相位变化等优点[14]，并且电路集成度较高，易于调试。PLL技术具有高响应频率、宽带宽、相位噪声小、杂散低、电路简单等优点，DDS的输出频率由R分频后，经PLL锁定放大N倍并由VCO输出，总的输出频率得到提升。

图2 调制信号生成框图Fig.2 Block diagram of generating modulation signal

采用此种方法，DDS作为本振参考源，通过PLL模块锁定VCO锁定输出频率，一方面可提高传统DDS作为参考源的调制频率上限；另一方面，DDS+PLL的频率合成技术可以有效抑制DDS及采集电路产生的杂散和噪声电平，从而获得具有干净频谱的调制信号。

2.2 调制电路

为实现激光器的稳定输出，并且保证激光器的稳定工作，外部调制电路由以下几部分组成：

1)保护电路，半导体激光器需要将输入激光器电流控制在可控范围内，因此需要过流保护电路；

2)具有慢启动功能的直流偏置电路，用于避免电源开启瞬间电流浪涌和电压浪涌的冲击；

3)信号放大电路；

4)调制电路。

具体的系统框图如图3所示，调制信号和直流偏置信号经过放大器后进行相加，过流保护电路实现慢启动，以避免快开快断造成的瞬间大电流并起到限流作用。在实际使用中，直流偏置和交流的叠加通过集成芯片完成，并输出具有偏置的调制电压或电流信号。

图3 调制电路组成框图Fig.3 Block diagram of modulation circuit system

3 仿真测试

由调制信号生成框图可知，DDS产生信号序列后，经由R分频进入相位检波器，由PLL模块进行控制。DDS产生的信号序列近似于正弦信号，由于DDS的杂散边缘误差主要来源于截位误差，并结合在传感器内部应用的限制，在仿真时，以掺杂具有展宽高斯白噪声的正弦信号模拟受外界限制干扰和杂散影响的DDS信号。PLL采样频率设为20kHz，模拟实际工作模式下受到其他因素限制的AD采集模块的实际采样频率。压控振荡器自由振荡频率fVCO为进入相位检波器的信号频率fDDS的N=2倍，在未有参考基准频率输入时，压控振荡器按照自由振荡频率输出信号，实现增大DDS输出频率上限的功能。仿真产生的时域图如图4和图5所示。在仿真过程中，采样频率保持为20kHz，DDS与VCO自由振荡的信号幅度均为0.025。图4为DDS直接输出8kHz数字调制信号，图5为DDS直接输出4kHz数字调制信号并由PLL调理后升至8kHz。从时域图来看，受到实际采样率的限制，DDS产生的数字信号已经出现了失真现象，频率不能保持稳定；经过PLL调理后的波形仍然维持频率本身的特性，从时域上来看幅度受到限制，但数字信号本身特性依旧保持，并且调制信号的频率输出稳定。由于DDS本身的噪声电平会随着频率的增大而增大，在实际调制时可以根据分频比减小DDS的生成频率，从而抑制DDS本身的噪声电平，并通过PLL环节增大调制频率。

图4 采样频率20kHz，DDS输出8kHz信号时域图Fig.4 Time-domain image of the 8kHz output signal of DDS with 20kHz sampling frequency

图5 采样频率20kHz，DDS输出4kHz,PLL锁定后VCO输出8kHz信号时域图Fig.5 Time-domain image of 8kHz signal generated by VCO, with 4kHz signal created by DDS, PPL locked and 20kHz samplingf requency

在整个系统中，环路滤波器对频率噪声有一定的抑制作用，对DDS生成的数字展宽有限制作用，但作用较小。具体仿真结果如图6所示，蓝色线为DDS输出8kHz信号，红色线为PLL锁定VCO输出10kHz信号，采样频率为30kHz，从-110dB信号强度到-60dB红色线均比蓝色线的频率宽度窄，在-110dB信号强度下，VCO输出比DDS输出信号窄约200Hz带宽。

图6 采样30kHz，fdds8kHz，fvco10kHz时的数字信号FFTFig.6 Frequency domain image of 8kHz digital signal created by DDS and 10kHz digital signal created by VCO with 30kHz sampling frequency

4 实验测试

目前,大部分FPGA集成芯片都有不同的IP核作为内嵌模块，本次实际操控采用Xilinx公司的处理器芯片，通过其内部的IP核生成DDS参考信号，参考信号由状态字进行控制，输出具有偏置的调制电流信号供给激光器。通过电压输出芯片采集FPGA输出数字控制字并进行PLL调理后输出具有偏置的调制电压，经由电流输出芯片完成电流转换，实现对激光器的供电和电流调制。在实际供电时，通过16位数字信号控制输出的偏置调制电压信号，通过状态字控制调制电压信号，完全满足现在大多数小型量子传感器的工作状态需求。在实际实验验证过程中，传感器正常工作，DDS输出8kHz调制信号和DDS输出4kHz调制信号，经由PLL调理后输出为8kHz信号，分别对激光器直流偏置相加完成光源的内部调制，并用光电探测器吸收后转化为电流进行采集，具体实验结果如图7～图10所示。

图7 DDS输出4kHz与8kHz信号的FFTFig.7 Frequency domain image of 4kHz digital signal and 8kHz digital signal created by DDS

图8 DDS输出8kHz与DDS输出4kHz并经由PLL模块拉升至8kHz信号FFTFig.8 Frequency domain image of 8kHz digital signal created by DDS and 8kHz digital signal created by VCO with 4kHz signal created by DDS and PPL locked

图9 光电探测器转化光功率信号FFTFig.9 Frequency domain image of light intensity signal transformed by photoelectric pickoff

(a) DDS调制电流输出光功率

图7、图8为控制电路空载时直接采集生成的调制信号，图7为DDS生成4kHz信号和生成8kHz信号时的频谱，蓝色线为8kHz信号，红色线为4kHz信号，8kHz信号底噪电平比4kHz信号高3～4dB，信号强度大2dB，DDS的噪声电平随着生成信号的频率增大而增大；图8为DDS生成8kHz和DDS生成4kHz后经PLL模块锁定VCO

输出8kHz的信号，DDS生成4kHz并经PLL锁定至8kHz，噪声电平受到一定的抑制，底噪电平降低约8dB，信号强度保持不变。一方面，DDS生成低频信号时噪声电平低；另一方面，PLL模块对信号噪声产生抑制作用，使实际生成的信号频率展宽受到一定的限制，功率谱密度变小，反映到频谱上为底部噪声电平变低。

图9、图10为应用于小型量子传感器内部时的测试结果，分别由DDS生成8kHz调制信号、DDS生成4kHz后经PLL模块锁定VCO输出8kHz产生的调制信号去调制激光器电流，并用光电探测器采集激光器输出的光强信号。图9为光电探测器采集光功率转化电流信号并经AD采集的频谱图，两种不同调制方式对光强噪声的影响约3dB；图10为光电探测器采集到的光强转化为电流信号的时域图，均为激光器在室温条件下上电启动1h后采集输出光功率，其中(a)为DDS输出8kHz信号调制激光器电流后，PD采集激光器光强，(b)为VCO输出8kHz调制信号调制激光器电流后PD采集激光器光强。在将近1h采集光强时间内，DDS输出调制光强仍在波动，VCO调制激光器在1h内已经达到稳定状态，并且噪声是DDS噪声范围的一半，与图9测试得到的输出光强信号的FFT噪声电平结果相同，且多次实验具有重复效果。

5 结论

本文从提高光源调制频率和稳定激光器输出光强出发，提出了DDS+PLL的调制方法，对激光器进行调制以实现稳定激光器输出。并根据现有的小型量子传感器的激光器工作状态搭建装置，实现了光源的电流调制，在DDS产生4kHz频率的情况下完成了8kHz的激光器电流调制，并且经PLL调理后抑制了调制信号噪声电平，噪声降低约8dB，稳定了激光器输出光强波动，激光器输出噪声降低3dB。本文提出的DDS+PLL频率合成技术的调制方法，可以有效提高小型量子传感器内部光源调制频率上限，并优化激光器调制电流的噪声，为提高小型量子传感器本身灵敏度提供了一种切实有效的方法。